线粒体功能障碍在衰弱综合征发展中的作用机制研究进展

牛望，李茜

四川大学华西医院麻醉科，成都 610044

据中国发展基金会发布的《中国发展报告2020：中国人口老龄化的发展趋势和政策》显示，我国人口老龄化进程逐渐加快［1］。老年患者手术数量逐年增加。衰弱综合征是伴随年龄增长而涉及到全身多系统的一种临床综合征，其主要生理病理特征是包括随年龄增长脏器储备功能下降、应对各类应激源的抗应激能力减退以及对不良临床事件易感性增加在内的一系列改变［2］。衰弱综合征是健康与失能之间的状态，研究［3］发现，与非衰弱患者相比，老年衰弱综合征患者术后病死率较高，术后并发症发生率高。因此，衰弱已成为目前围术期各学科关注的重点领域。然而，衰弱综合征的具体发病机制目前仍不完全明确，近年研究认为线粒体功能障碍可能参与了衰弱综合征的发生发展。线粒体的生物发生、融合功能及分解等生理过程可维持线粒体功能，上述维持线粒体功能的生理过程的退化可导致线粒体出现功能障碍。已有部分研究围绕线粒体功能障碍导致人体过度氧化应激反应和机体能量代谢障碍、部分线粒体miRNA功能失调、线粒体相关基因表达异常和线粒体相关的内在免疫功能退化和衰弱综合征关系间展开。但既往研究主要从单一的角度出发探讨线粒体功能障碍与衰弱发生发展的相关性，未有较为全面的综述阐述线粒体功能障碍参与衰弱发生的具体机制。 因此，现就近年有关线粒体功能障碍在衰弱综合征发生发展中的作用和作用机制相关研究进行综述，探讨衰弱综合征的发病机制及防治策略。

1 线粒体功能障碍导致的氧化应激反应在衰弱综合征发展中的作用机制

衰弱综合征的主要特征为人体出现过度的氧化应激反应［4］。氧化应激反应是机体促氧-抗氧状态失调后活性氧簇（Reactive Oxygen Species， ROS）大量积累的结果。一项纳入了6 349例研究对象的研究分析了氧化应激与衰弱综合征患者状态的相关性分析后发现，患者的衰弱状态与氧化应激的标志物水平具有正相关性［5］，衰弱患者体内氧化应激标志物水平明显升高。在细胞的衰老过程中，ROS可通过调节哺乳动物类雷帕霉素靶蛋白（Mammalian Target Of Rapamycin，mTOR）复合物的功能、促进白介素1α（Interleukin-1α）的表达，增强核因子κB（Nuclear Factor kappa-B，NF-κB）的活性、诱导基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteases， MMPs）的表达、调节 p16INK4a/pRB 及 p53/p21通路等［6］方式促进细胞的衰老。

线粒体是ROS的来源与靶点，线粒体之间ROS的运输可形成正反馈［7］，ROS在氧化磷酸化过程中与DNA、蛋白质和脂类等物质的相互作用，最终导致线粒体功能障碍［8］。同时，ROS还可诱导线粒体通透性转化孔（Mitochondrial Permeability Transition Pore， mPTP）开放，其开放后又可进一步诱导ROS的生成与积累，该现象叫做ROS诱导ROS释放（ROS-induced ROS released， RIRR）［9］，过度的ROS释放通过上述过程强化线粒体功能障碍。而且，由于线粒体的固有结构，包括线粒体呼吸链复合物在内的线粒体大分子本身对氧化应激就十分敏感，容易产生与氧化应激相关的损伤。因此，线粒体功能障碍伴随的机体过度的氧化应激反应可能在衰弱的发生进程中起到促进作用。WITTEL等［10］进行的一项前瞻性观察性研究选择了444例衰弱综合征患者为研究对象，测定患者血清氧化应激标志物水平及端粒长度，结果发现衰弱综合征患者的氧化应激标志物水平显著增高、端粒长度显著缩短。线粒体是人体氧化应激的反应场所，而端粒与线粒体存在附着关系，因此该研究结果间接说明线粒体功能障碍可能参与了衰弱综合征的发生发展。氧化应激反应还会损伤肌肉收缩—舒张耦联过程，导致肌浆网释放钙离子水平。同时，氧化应激反应可导致肌动蛋白和肌球蛋白结构改变，抑制肌原纤维装置内的跨桥循环，最终导致人体骨骼肌的功能下降，而骨骼肌功能的降低在衰弱综合征的发生发展中发挥重要作用。目前尚无研究证实线粒体功能障碍伴随的氧化应激反应与衰弱发生发展的直接作用机制及相关信号通路。

肌少症是引起躯体发生衰弱的物理驱动因素，主要表现为骨骼肌质量和力量的渐进性和全身性丧失［11］。目前衰弱综合征和肌少症的关系尚未完全明确，但二者临床症状和病理生理学表现相似，且二者的评估、诊断内容存在部分重叠，因此临床一般将肌少症视为亚衰弱状态或是衰弱前期。伴随年龄增长线粒体出现与氧化应激相关的mPTP的开放敏化，同时线粒体自噬—蛋白酶体诱导的清除功能逐渐退化缺失，致使功能不良的线粒体积累在肌肉和运动神经元细胞中，功能障碍的线粒体聚集又进一步促进mPTP开放，导致线粒体膜电位丧失，线粒体内容物通过mPTP漏入细胞胞质，在肌肉细胞和运动神经元中启动凋亡程序，导致肌纤维和运动神经元的死亡并失去相应的神经支配，促使肌少症的发生及发展［12］。此外，线粒体DNA （mtDNA）的缺失与突变也将加速肌纤维的丢失与萎缩［13］。骨骼肌与运动神经元中的线粒体自噬效应出现减退，使得损伤的线粒体无法通过正常途径被及时清除［14］。线粒体功能障碍是肌少症的始动因素，线粒体的生物发生、融合与分解及自噬功能的减退均参与肌少症的发生发展［15］。ANDREUX等［16］评估了亚衰弱状态患者的线粒体代谢功能，将亚衰弱状态的老年患者与健康患者进行匹配研究，同时测定两组患者的肌肉线粒体功能与电子呼吸链复合物的数量，结果发现，亚衰弱组患者的肌肉线粒体产能效率及呼吸链复合物的数量均降低，证明了亚衰弱患者存在线粒体功能障碍。

亚太地区衰弱管理指南建议，应当为老年患者提供多元化的运动干预以便增加老年人的肌力，通过最大氧耗量刺激人体蛋白质的合成进而增加肌肉质量，从而提高机体的灵活性并改善日常生活能力［11］。定期运动可通过丝裂原活化蛋白激酶、激活NF-κB信号通路引起抗氧化环节的重要酶—超氧化物歧化酶（Superoxide Dismutase， SOD）的表达增强，最终强化机体清除ROS的能力，最终减轻氧化应激反应。在此过程中，线粒体作为机体响应运动的核心细胞器， 可通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α （Peroxisome Proliferator-Activated Receptor-γ Coactivator-1α， PGC-1α）等信号分子促进线粒体合成并改善线粒体功能，由此在运动健康效应中发挥重要作用。因此，运动可能通过改善线粒体功能，减轻机体氧化应激反应，有助于改善患者的衰弱状态。

2 线粒体介导的能量代谢障碍在衰弱综合征发展中的作用机制

线粒体是真核细胞生物进行能量代谢的主要场所，通过氧化磷酸化过程直接产生ATP 以满足机体的各种能量需求。RATTRAY等［12］研究表明，机体的整体代谢在衰弱状态之下发生了改变，细胞能量产生的过程中出现了肉碱穿梭作用和维生素E的代谢下调。其中，肉碱是长链脂肪酸（Long Chain Fatty Acid， LCFAs）通过线粒体内膜的分子载体，而LCFAs是氧化磷酸化的主要底物，其与辅酶A（CoA）酯化形成酰基- CoA并进入三羧酸循环产能。而且，肉碱还可直接刺激线粒体呼吸，影响线粒体内膜的物理特性。因此，肉碱的减少会导致线粒体中LCFAs的可用性降低并由此产生能量赤字。肉碱的功能缺陷还可能与脂肪酸β-氧化受损有关，导致电子传递链（Electron Transport Chain， ETC） 堵塞，增加ROS的生成而损伤线粒体［13］。此外，在机体活动中，LCFAs的可用性降低还可能促使新陈代谢转向利用碳水化合物，该种代谢方式的转变也可能导致能量赤字，进而产生自我可察觉的疲劳感［14］，而疲劳感是衰弱综合征的早期临床表现，部分衰弱综合征的评估量表中也包含疲乏感［15］。KUMARAN等［16］研究发现，与年轻小鼠相比，老年大鼠体内的骨骼肌线粒体中脂类过氧化物的水平明显增高，其体内的抗氧化酶活性明显降低。而肉碱的补充可提升老年大鼠的线粒体抗氧化系统的活性并降低自由基诱导的脂质过氧化水平，且该种线粒体相关的功能改善程度与肉碱的补充时长呈正相关关系。另一项纳入了84例老年患者的随机对照试验发现，肉碱的补充可改善老年患者的疲劳感［17］。而RATTRAY等［12］认为，衰弱综合症患者的低血清维生素E水平，可能是由于低血清维生素E水平未能抑制由肉碱缺乏产生的过量ROS，导致线粒体的功能障碍。因此，增强肉碱的穿梭作用或增加肉碱活性、补充维生素E可能有助于改善老年患者的线粒体功能，进而改善其衰弱状态。

维生素D水平缺乏是衰弱综合征发生的独立危险因子。维生素D可改善机体骨骼肌线粒体的氧化磷酸化水平，抑制人体的氧化应激反应［18］。不仅如此，维生素D还可以通过控制与调节参与氧化磷酸化过程的相关蛋白质的转录，降低机体ROS的产生，维持线粒体的正常代谢功能［19］。

ZHOU等［20］以19例终末期心衰患者、19例健康对照组患者为研究对象，结果发现终末期心衰患者存在线粒体呼吸功能减退（表现为线粒体压力测试中的基础氧气消耗率和FCCP刺激下的最大氧气消耗率明显降低）及促炎因子表达增加（IL-1B、 IL-18及 TNF-α），给予试验患者口服烟酰胺核苷（Nicotinamide riboside，NR），NR可改善线粒体功能（表现为线粒体压力测试中的基础氧气消耗率和FCCP刺激下的最大氧气消耗率明显增加）并抑制促炎因子表达，增加血清NAD+水平，NAD可进一步促进线粒体特异性的去乙酰化酶活性升高，改善线粒体的功能。过度氧化应激、机体慢性促炎反应及线粒体功能失调都可能在终末期心衰与衰弱综合征的发病中发挥重要作用。

3 线粒体miRNA 表达异常在衰弱综合征发展中的作用机制

MicroRNAs（miRNAs）作为一种具有调控功能的内源性非编码RNA，可影响mRNAs的加工并参与调节细胞间的通讯、分化及增殖等多个过程［21］。其中，miRNAs中可影响线粒体功能的miRNAs被称为线粒体 miRNA（Mitochondrial miRNAs， mitomiRs）。B淋巴细胞瘤-2（B-cell lymphoma-2， Bcl-2）基因在机体衰老过程中表达下降，由此导致线粒体的自噬能力降低，并打破线粒体分解和合成的平衡，最终引起线粒体功能失调。

为了验证衰老细胞的部分典型改变是否源于mitomiRs调控能力的下降，GIULIANI 等［22］采用衰老的人类内皮细胞表型进行深入探索，结果发现，与年轻的细胞相比，衰老细胞的线粒体的结构形态发生改变，自噬滤泡出现积累，ROS产生增加，且Bcl-2表达下降，而该过程中mitomiR-181a、mitomiR-34a及mitomiR-146a过度表达。因此，相关mitomiRs可能通过介导下调表达Bcl-2进而导致线粒体功能障碍，参与到衰弱综合征的发生发展。mitomiRs可能作为衰弱综合征新的治疗靶点。

4 线粒体相关基因表达异常在衰弱综合征发展中的作用机制

在线粒体的自身代谢中，轻微的线粒体损伤可通过融合/裂变等机制修复，而不可逆的线粒体损伤则通过自噬进行清除。此外，被清除的线粒体及其功能则由新合成的线粒体取代，该种现象被称为线粒体生物发生（Mitochondrial biogenesis）［23］。pgc-1α可通过转录调控其下游基因，如核因子红细胞2相关因子 2（Nuclear factor erythroid 2-related factor 2，Nrf2） ，促进线粒体的生物发生［24］。

Nrf2作为一种转录因子，通过与靶基因启动子中的抗氧化反应元件（ARE）结合，在介导细胞内抗氧化反应中发挥关键作用［25］，参与维持线粒体功能。HUANG等26使用老鼠为模型进行研究发现，衰老大鼠的Nrf2的 mRNA表达水平随着衰弱表型评分的增加而降低，且Nrf2的缺乏导致中老年大鼠的身体功能和肌肉质量下降，并加剧老年大鼠的衰弱状态，进一步研究发现，老年大鼠的生理功能和肌肉质量的下降伴随着线粒体生物发生和动力学相关基因的表达水平降低，以及骨骼肌中线粒体及其DNA水平数量、线粒体内容物减少，且线粒体形态出现受损，由此证明Nrf2的缺乏在衰老过程中加重衰弱和肌少症的发生，并且该效应可能是通过与年龄依赖相关的方式损害骨骼肌线粒体。

CARDOSO 等［27］在 六 大 基 因 库（GenAge，AnAge， LongevityMap， CellAge， DrugAge， Digital Aging Atlas）中检索与衰弱综合征相关的生物标志物后发现，生长分化因子15（Growth Differentiation Factor 15，GDF15）和蛋白质编码基因Ⅲ型纤连蛋白域蛋白 5（Fibronectin type Ⅲ Domain Containing 5，FNDC5）可能是衰弱综合征的核心生物标记物之一。其中，GDF15是一种在应激刺激状态下释放的多效细胞因子，在线粒体相关的疾病中表达增加，且高表达GDF15与线粒体功能障碍相关［28］。跨膜蛋白FNDC5在代谢疾病中表达降低，其通过蛋白水解过程调节分泌肌源性鸢尾素（Irisin），后者可促进线粒体的生物发生，保护线粒体功能，并可能在线粒体功能障碍相关的疾病中表达降低［29］。以上均提示线粒体相关基因表达异常可导致线粒体功能障碍，线粒体相关基因可能是衰弱综合征的核心标志物之一，未来可能通过线粒体代谢功能评估患者的衰弱状态。

5 线粒体相关免疫功能退化在衰弱综合征发展中的作用机制

伴随年龄增长出现的机体内在免疫系统功能的退化也参与了衰弱综合征的发生发展［30］。研究发现，老年人群的CD4+T细胞中存在大量功能失调的线粒体被自噬体吞噬，衰老过程伴随线粒体的更替缺陷［31］。此外，线粒体在T淋巴细胞的激活、繁殖过程中调节能量代谢，因此也是重要的免疫反应的调节器。由此，机体积累的功能障碍的线粒体不能为内在免疫系统提供足够的能量支持，进而导致与年龄增长相关的内在免疫系统功能出现退化，可能也是线粒体功能障碍促进衰弱综合征发生发展过程中的机制之一。

综上所述，线粒体功能障碍在衰弱综合征的发生发展中起到一定作用。线粒体功能障碍导致的氧化应激反应、线粒体能量代谢障碍、线粒体miRNAs表达异常及线粒体相关基因表达缺陷、机体内在免疫功能退化均参与了衰弱综合征的发生发展。后续研究应进一步明确线粒体功能障碍在衰弱综合征发生发展中的具体作用机制，从而为衰弱综合征的靶向干预提供理论依据。